LED驅動(dòng)器設計照明系統電路解析 —電路圖天天讀（231）

　　隨著(zhù)高功率LED的問(wèn)世，照明產(chǎn)業(yè)也面臨新的挑戰。LED的使用壽命及電源轉換效率成為設計LED照明系統時(shí)的主要考慮因素。而為了提供恒流以維持LED色彩與亮度的一致性，恒流LED驅動(dòng)器可作為一個(gè)提供恒流輸出的開(kāi)關(guān)式轉換器。此外，省電或高效率的電源轉換需求更是在LED照明應用上不可缺少的要素，而磁滯型脈沖頻率調變技術(shù)（HystereTIc PFM）可以大幅提升輕載或重載時(shí)的電源轉換效率。本文將探討如何利用恒流LED驅動(dòng)器設計出高效率、高穩定性的LED照明系統。

　　傳統LED驅動(dòng)器：定電壓模式

　　流經(jīng)LED的電流決定了LED的亮度，電流越大，LED的亮度也會(huì )越亮。一般而言，使用定電壓或恒流驅動(dòng)器都可達到點(diǎn)亮LED的目的。圖1為最簡(jiǎn)單的定電壓 LED驅動(dòng)器，流經(jīng)LED的電流是由與LED串聯(lián)的電阻所控制。例如，假設輸入電壓為5V，LED的順向偏壓為3.6V，則在該條件下，如果需要的LED 電流為20mA，所要使用的限流電阻即為70Ω。雖然這種方法的架構非常簡(jiǎn)單，但LED的電流會(huì )隨著(zhù)落在LED兩端的電壓而改變，如果LED順向偏壓不一致或輸入電壓有些許變動(dòng)都會(huì )對LED的亮度產(chǎn)生影響。除此之外，在限流電阻上的功率損耗也會(huì )造成過(guò)熱及低效率的問(wèn)題。

　　圖1：定電壓LED驅動(dòng)器電路圖

　　傳統LED驅動(dòng)器：恒流模式

　　另一種常用的LED驅動(dòng)器為如圖2所示的恒流模式驅動(dòng)器。在圖2中，LED的電流由線(xiàn)性穩壓器所提供，其電流可由R1電阻設定。與定電壓模式驅動(dòng)器相比，恒流模式驅動(dòng)器可以控制流經(jīng)LED的電流而不受LED順向偏壓及輸入電壓的不同所影響。但如果輸入電壓與LED總順向偏壓之間的壓差過(guò)大的話(huà)，還是會(huì )在驅動(dòng)器上產(chǎn)生過(guò)熱的問(wèn)題。

　　圖2：恒流LED驅動(dòng)器電路圖

　　磁滯型脈沖頻率調變

　　MBI6650 的磁滯型脈沖頻率調變控制方式可以在輕載應用下有效提升系統的效率。圖3為MBI6650的應用電路，圖4為磁滯型脈沖頻率調變方式的波型示意圖。圖3中的VSEN為RSEN電阻兩端的壓降，MBI6650的輸出電流就是由該電壓及電阻而定。圖4中的VH為MBI6650內部的高位準參考電壓，其值為 VSEN電壓的1.3倍，而VL為VSEN的0.7倍。MBI6650的工作原理為：當電源打開(kāi)時(shí)，VSEN低于VH，因此MBI6650內置的 MOSFET開(kāi)啟，此時(shí)電感電流增加連帶使跨在RSEN兩端的VSEN隨之增加。當VSEN等于VH時(shí)，內置的MOSFET會(huì )關(guān)閉，此時(shí)電感電流會(huì )透過(guò)二極管（D1）放電而下降，因而使VSEN電壓隨之下降。而當VSEN電壓等于VL時(shí)，內置的MOSFET又會(huì )再次開(kāi)啟并重復之前的動(dòng)作。由于磁滯型脈沖頻率調變的特性，電感電流會(huì )一直維持在連續導通模式（CCM），這對降低LED漣波電流有很大的幫助。

　　這種控制方式的切換頻率會(huì )隨著(zhù)負載電流而變化，電流越大頻率越低。在相同的負載條件下，電感越大其切換頻率會(huì )越低。MBI6650的切換頻率被控制在40kHz以上以避免音頻噪聲的發(fā)生。

　　除了可改善輕載時(shí)的效率外，磁滯型脈沖頻率調變控制方式也具有其它優(yōu)點(diǎn)，例如，由于使用高壓測電流限制技術(shù)，在限流電阻上所損失的功耗很小，因此可使用較小體積的限流電阻，這對節省電路板空間及組件費用是有幫助的。

　　圖3：MBI6650應用電路圖

　　圖4：磁滯型脈沖頻率調變控制方式的波型示意圖

　　消除波動(dòng)AC輸入引起的LED閃爍

　　在LED照明系統中，添加電路以改善PFC響應時(shí)間能夠幫助消除由快速變化的AC輸入電壓引起的閃爍。如果功率因素校正（PFC）塊響應不夠快，波動(dòng)AC輸入能夠推動(dòng)輸出電壓超出其正常范圍并引起人眼能夠察覺(jué)的照明輸出變化。添加一些簡(jiǎn)單的電路至PFC塊能夠幫助改善響應時(shí)間并消除閃爍問(wèn)題。

　　防止過(guò)壓條件

　　添加過(guò)壓消除（OVE）至PFC塊，幫助更輕松地對升高過(guò)快（尤其啟動(dòng)過(guò)程中）的電壓作出反應。沒(méi)有OVE塊的話(huà)，如果PFC沒(méi)有及時(shí)響應，輸出電壓和反饋控制之間就會(huì )存在間隙。由于輸出電壓達到其目標，反饋控制嘗試降低控制值，但是因為它太慢，可能會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的能量。添加OVE功能能夠解決這個(gè)問(wèn)題。當過(guò)多的升壓電壓超出目標時(shí)，保護啟動(dòng)并且PFC轉換器作出快速反應。圖1顯示在有和沒(méi)有附加OVE電路的情況下PFC控制器的輸出響應。配備OVE的控制器在啟動(dòng)時(shí)有效消除過(guò)壓條件的應力。

　　圖：添加OVP功能在啟動(dòng)時(shí)消除過(guò)壓應力

　　保護功能

　　為確保LED照明系統及驅動(dòng)器的安全及可靠性，MBI6650同時(shí)提供數種保護功能。例如：欠電壓保護（UVLO）避免讓IC因輸入電壓不足時(shí)出現誤動(dòng)作，它所提供的磁滯電壓可避免開(kāi)機時(shí)的噪聲干擾。開(kāi)路及短路保護可保護驅動(dòng)器因受故障狀況影響而損傷。同時(shí)MBI6650也提供過(guò)溫度保護，當IC芯片到達 140°C時(shí)，IC即會(huì )自動(dòng)關(guān)閉輸出電流以避免過(guò)熱對IC產(chǎn)生損傷，而當溫度降至95°C時(shí)，IC才又會(huì )再次工作。

　　編輯點(diǎn)評：本篇文章將恒流LED驅動(dòng)器設計出高效率、高穩定性的LED照明系統的大部分基礎知識都進(jìn)行了總結和歸納。還對傳統LED驅動(dòng)器的兩種模式進(jìn)行了詳細的分析和相應的電路分析。并給出了消除LED閃爍的解決方法。希望大家能夠全面掌握這些知識，從而為自己的設計生涯打好堅實(shí)的基礎。
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